Voltaj

Voltaj
	Piller birçok elektrik devresinde voltaj kaynağıdır.
Ortak semboller	V , ∆V , U , ∆U
SI birimi	volt
SI Boyut	M L2 T−3 I−1
Kaynaklı türevler; Diğer miktarlar	Voltage = Enerji / yükü

Voltaj veya Gerilim, elektrik potansiyeli farkı, elektrik basıncı veya elektrik gerginliği iki nokta arasındaki elektrik potansiyel farkıdır. Statik elektrik alanındaki iki nokta (yani voltaj) arasındaki elektrik potansiyelindeki fark, bir test şarjını iki nokta arasında hareket ettirmek için her bir şarj birimi için gereken iş olarak tanımlanır. Uluslararası Birimler Sisteminde, türetilmiş voltaj birimi volt olarak adlandırılmıştır. SI birimlerinde birim yük başına çalışma, her bir coulomb başına (volt) 1 volt = 1 joule (iş) olan her bir coulomb başına joule olarak ifade edilir. Volt için resmi SI tanımı güç ve akımı kullanır; burada 1 amper (akım) için 1 volt = 1 watt (güç). Bu tanım daha yaygın olarak kullanılan 'coulomb başına joule' ile eşdeğerdir. Voltaj veya elektrik potansiyeli farkı sembolik olarak ∆V ile gösterilir, ancak daha sık olarak, örneğin Ohm veya Kirchhoff devre yasaları bağlamında V olarak gösterilir.

Noktalar arasındaki elektrik potansiyel farkları, elektrik yükünden, manyetik alandaki elektrik akımından, zamanla değişen manyetik alanlardan veya bu üçünün bir kombinasyonundan kaynaklanabilir. Bir sistemdeki iki nokta arasındaki voltajı (veya potansiyel farkını) ölçmek için bir voltmetre kullanılabilir; Genellikle sistemin temeli gibi ortak bir referans potansiyeli noktalardan biri olarak kullanılır. Bir voltaj ya bir enerji kaynağını (elektromotor kuvveti) temsil edebilir ya da kaybedilen, kullanılan veya depolanan enerjiyi (potansiyel düşme) gösterebilir.

Tanım

Bu sayfanın başında belirtilen standart tanım dahil olmak üzere voltaj tanımlamanın birçok kullanışlı yolu vardır. Yük başına işin başka yararlı tanımları da vardır.

Kabaca konuşursak, voltaj tanımı, negatif yüklü nesneler daha yüksek gerilimlere doğru çekilirken pozitif yüklü nesneler düşük gerilimlere doğru çekilir. Bu nedenle, bir tel veya dirençteki geleneksel akım her zaman yüksek voltajdan düşük voltaja akar.

Tarihsel olarak, gerilim, "gerginlik" ve "basınç" gibi terimler kullanarak ifade edilmiştir. Bugün bile, "gerginlik" terimi, örneğin, termiyonik valf (vakum tüpü) bazlı elektroniklerde yaygın olarak kullanılan "yüksek gerginlik" (HT) ifadesi içinde kullanılmaktadır.

Elektrik alan potansiyeli olarak tanımlanması

Bazı noktalarda ${\textstyle x_{A}}$ noktasından bazı noktalara ${\textstyle x_{B}}$ voltaj artışı şu şekilde verilir:

{\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=V(x_{B})-V(x_{A})\\&=-\int _{r_{0}}^{x_{B}}{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}-\left(-\int _{r_{0}}^{x_{A}}{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}\right)\\&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}\end{aligned}}

Bu durumda, A noktasından B noktasına voltaj artışı, herhangi bir hızlanmaya neden olmadan yükü A'dan B'ye taşımak için birim alan başına, elektrik alana karşı yapılması gereken işe eşittir. Matematiksel olarak, bu, elektrik alanın bu yol boyunca çizgi integrali olarak ifade edilir. Bu tanım uyarınca, iki nokta arasındaki voltaj farkı zamanla değişen manyetik alanlar olduğunda benzersiz olarak tanımlanmaz, çünkü elektrik kuvveti bu gibi durumlarda koruyucu bir kuvvet değildir.

Bu gerilim tanımı kullanılırsa, indüktör içeren devreler gibi zamanla değişen manyetik alanların olduğu herhangi bir devre, devredeki düğümler arasında iyi tanımlanmış bir gerilime sahip olmayacaktır. Bununla birlikte, eğer her bir bileşene manyetik alanlar uygun şekilde dahil edilirse, o zaman elektrik alanı bileşenlerin dışındaki bölgede muhafazakardır ve bu bölgede gerilimler iyi tanımlanmıştır. Bu durumda, harici olarak görüntülenen bir indüktör üzerindeki voltaj,

$\Delta V=-L{\frac {dI}{dt}}$ Buna rağmen, dahili olarak, bobindeki elektrik alanı sıfırdır (mükemmel bir iletken olduğu varsayılarak).

Elektrik alanın ayrışımı ile tanımı

Yukarıdaki tanımı kullanarak, manyetik alan zamanla değiştiğinde elektrik potansiyeli tanımlanmaz. Fizikte, elektrik potansiyelini sadece elektrik alanın muhafazakar bölümünü dikkate alarak genelleştirmek yararlı olabilir. Bu elektrodinamikte kullanılan aşağıdaki ayrışma ile yapılır: ${\vec {E}}=-\nabla V-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}$

Burada ${\textstyle {\vec {A}}}$ , manyetik vektör potansiyelidir. Yukarıdaki ayrışma, Helmholtz teoremi tarafından acıklanır.

Bu durumda, ${\textstyle x_{A}}$ 'dan ${\textstyle x_{B}}$ 'ye gerilim artışı şu şekilde verilir:

${\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}{\vec {E}}_{\mathrm {conservative} }\cdot d{\vec {l}}\\&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}\left({\vec {E}}+{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}\right)\cdot d{\vec {l}}\\&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}({\vec {E}}-{\vec {E}}_{\mathrm {induced} })\cdot d{\vec {l}}\end{aligned}}$

buradaki Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\textstyle \vec{E}_\mathrm{indüklenmiş}} zaman, değişen manyetik alanlardan dolayı dönel elektrik alanıdır. Bu durumda, noktalar arasındaki voltaj her zaman benzersiz olarak tanımlanır.

Devre teorisinde işlem

Devre analizi ve elektrik mühendisliğinde, standart tanımın önerdiği gibi bir endüktör üzerindeki voltaj sıfır veya tanımsız olarak kabul edilmez. Bunun nedeni, elektrik mühendislerinin devreleri temsil etmek ve analiz etmek için bir toplanmış eleman modeli kullanmasıdır.

Bir topaklı eleman modeli kullanıldığında, devreyi çevreleyen bölgede manyetik alanların olmadığı ve bunların etkilerinin, fiziksel bileşenleri modellemek için kullanılan idealize edilmiş ve kendi kendine yeten devre elemanlarının 'topaklanmış elemanlarda' bulunduğu varsayılmaktadır. İhmal edilebilir sızdırılmış alanların varsayımı çok yanlışsa, etkileri parazitik bileşenlerle modellenebilir.

Yine de fiziksel bir indüktör durumunda, ideal topaklanmış temsil genellikle doğrudur. Bunun nedeni, indüktörün sızdırılmış alanlarının, özellikle indüktör bir toroid olması durumunda genellikle göz ardı edilebilir olmasıdır. Sızan alanların ihmal edilebilir olması durumunda, bunu buluruz.

$\int _{\mathrm {exterior} }{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}=-L{\frac {dI}{dt}}$

yoldan bağımsızdır ve indüktörün terminalleri arasında iyi tanımlanmış bir voltaj vardır. Bu, bir endüktör boyunca voltmetre ile yapılan ölçümlerin test uçlarının yerleştirilmesinden genellikle makul ölçüde bağımsız olmasının nedenidir.

Volt

Volt (sembolü: V), elektrik potansiyeli, elektrik potansiyeli farkı ve elektromotor kuvveti için türetilmiş birimdir. Volt, muhtemelen ilk kimyasal batarya olan voltaik havayı icat eden İtalyan fizikçi Alessandro Volta'nın (1745-1827) onuruna verildi.

Hidrolik analoji

Elektrik devresi için basit bir benzetme, kapalı bir boru hattı devresinde akan ve mekanik bir pompa ile tahrik edilen sudur. Buna "su devresi" denebilir. İki nokta arasındaki potansiyel fark, iki nokta arasındaki basınç farkına karşılık gelir. Pompa iki nokta arasında bir basınç farkı yaratırsa, o zaman bir noktadan diğerine akan su, türbin sürüşü gibi iş yapabilecektir. Benzer şekilde, bir batarya tarafından sağlanan potansiyel fark tarafından tahrik edilen bir elektrik akımı ile de yapılabilir. Örneğin, yeterince şarj edilmiş bir otomobil aküsü tarafından sağlanan voltaj, bir otomobilin marş motorunun sargıları boyunca büyük bir akımı "itebilir". Pompa çalışmıyorsa, basınç farkı yaratmaz ve türbin dönmez. Aynı şekilde, otomobilin aküsü çok zayıf veya "ölü" (veya "düz") ise, marş motorunu döndürmez.

Hidrolik analoji, birçok elektrik kavramını anlamak için kullanışlı bir yoldur. Böyle bir sistemde, suyu taşımak için yapılan iş, taşınan suyun hacmi ile çarpılan basınca eşittir. Benzer şekilde, bir elektrik devresinde, elektronları veya diğer yük taşıyıcıları taşımak için yapılan iş, taşınan elektrik yüklerinin miktarı ile çarpılan "elektrik basıncına" eşittir. "Akış" ile ilgili olarak, iki nokta arasındaki "basınç farkı" ne kadar büyükse (potansiyel fark veya su basınç farkı), aralarındaki akış (elektrik akımı veya su akışı) o kadar büyük olur. (Bkz. "Elektrik gücü".)

Uygulamalar

Bir voltaj ölçümü belirlemek, voltajın ölçüldüğü noktaların açık veya örtük bir şekilde belirtilmesini gerektirir. Potansiyel farkını ölçmek için bir voltmetre kullanırken, voltmetrenin bir elektrik kablosunun birinci noktaya, bir ikinci noktaya bağlanması gerekir.

"Gerilim" teriminin yaygın bir kullanımı, bir elektrikli cihaz (örneğin bir direnç) üzerine düşen gerilimi açıklamaktır. Cihazdaki voltaj düşüşü, cihazın her terminalindeki ölçümler arasındaki ortak referans noktasına (veya toprağa) göre fark olarak anlaşılabilir. Gerilim düşümü, iki okuma arasındaki farktır. Değişken bir manyetik alan içinde olmayan ve dirençsiz ideal bir iletkenle bağlanan ve elektrik devresindeki iki nokta sıfır voltajlıdır. Aynı potansiyele sahip herhangi iki nokta bir iletken tarafından bağlanabilir ve aralarında hiçbir akım olmaz.

Gerilim eklenmesi

A ve C arasındaki voltaj, A ve B arasındaki voltaj ile B ve C arasındaki voltajın toplamıdır. Bir devredeki çeşitli voltajlar, Kirchhoff'un devre yasaları kullanılarak hesaplanabilir.

Alternatif akımdan (AC) bahsederken, anlık voltaj ile ortalama voltaj arasında bir fark vardır. Doğru akım (DC) ve AC için anlık voltajlar eklenebilir, ancak ortalama voltajlar yalnızca hepsinin aynı frekans ve faza sahip sinyallere uygulandığında anlamlı bir şekilde eklenebilir.

Ölçme aleti

Gerilim ölçüm cihazları arasında voltmetre, potansiyometre ve osiloskop bulunur. Hareketli bobin enstrümanları gibi analog voltmetreler, akımı Ohm Yasasına göre, direnç üzerindeki voltajla orantılı olan sabit bir dirençle ölçerek çalışır. Potansiyometre, bilinmeyen voltajı bir köprü devresindeki bilinen bir voltajla dengelemek suretiyle çalışır. Katot ışınlı osiloskop, voltajı yükseltip bir elektron ışınını düz bir yoldan saptırmak için kullanarak çalışır, böylece ışın sapması voltajla orantılı olur.

Tipik gerilimler

El feneri pilleri için ortak bir voltaj 1,5 volt'tur (DC). Otomobil aküleri için ortak bir voltaj 12 volt'tur (DC).

Elektrik şirketleri tarafından tüketicilere sağlanan genel voltajlar 110 - 120 volt (AC) ve 220 - 240 volt (AC) arasındadır. Elektrik santrallerinden elektrik dağıtmak için kullanılan elektrik enerjisi iletim hatlarındaki voltaj, tipik olarak 110 ila 1200 kV (AC) olan voltajlardan birkaç yüz kat fazla olabilir.

Demiryolu lokomotiflerine güç sağlamak için havai hatlarda kullanılan voltaj 12 kV ile 50 kV (AC) veya 1,5 kV ile 3 kV (DC) arasındadır.

Galvanik potansiyel vs. elektrokimyasal potansiyel

İletken bir malzemenin içinde bir elektronun enerjisi yalnızca ortalama elektrik potansiyelinden değil, içinde bulunduğu belirli termal ve atomik ortamdan da etkilenir. İki farklı metal türü arasında bir voltmetre bağlandığında, elektrostatik potansiyel farkını değil, termodinamikten etkilenen başka bir şeyi ölçer. Bir voltmetre ile ölçülen miktar, elektronların elektrokimyasal potansiyelinin (Fermi seviyesi) elektron yüküyle bölünmüş ve genel olarak voltaj farkı olarak adlandırılırken, saf ayarlanmamış elektrostatik potansiyel (bir voltmetre ile ölçülemez) iken bazen Galvani potansiyeli denir. "Voltaj" ve "elektrik potansiyeli" terimleri, pratikte, bunların her ikisine de farklı bağlamlarda atıfta bulunabilecekleri konusunda belirsizdir.

Tarihçe

Elektromotor kuvveti terimi, Volta tarafından ilk olarak 1798'de Giovanni Aldini'ye yazdığı bir mektupta kullanılmış ve ilk olarak 1801'de Annales de chimie et de physique'de yayınlanan bir makalede yer almıştır. Volta, bu, özellikle elektrostatik bir güç olmayan bir kuvveti ifade eder, bir elektrokimyasal kuvvet. Terim, 1820'lerde elektromanyetik indüksiyonla bağlantılı olarak Michael Faraday tarafından alındı. Bununla birlikte, şu anda açık bir voltaj tanımı ve ölçüm yöntemi geliştirilmemiştir. Volta emf'yi gerilimden ayırt eder (potansiyel fark): açık devre iken bir elektrokimyasal hücrenin terminallerinde gözlenen potansiyel fark, hücrenin emfini tam olarak akmayacak şekilde dengelemelidir.